โปรตีน

 

 

                                                               สารชีวโมเลกุล

 

อาหารเป็นปัจจัยสำคัญประการหนึ่งต่อการเจริญเติบโตและมีพลังงานเพียงพอต่อการทำกิจกรรมต่างๆ อาหารต่างชนิด

กันจะประกอบด้วยสารอาหารที่ร่างกายนำไปใช้ประโยชน์ได้แตกต่างกัน การที่มนุษย์จะมีสุขภาพดีจำเป็นต้องได้รับสารอาหาร ได้แก่  ไขมัน  โปรตีน  คาร์โบไฮเดรต  วิตามิน  เกลือแร่และน้ำ  อย่างเพียงพอและได้สัดส่วนตามความต้องการของร่างกาย สารอาหารเหล่านี้จะถูกย่อยเพื่อให้ร่างกายนำไปใช้ประโยชน์ได้

สารที่สิ่งมีชีวิตสามารถนำไปใช้ในกระบวนการดำรงชีวิตซึ่งเรียกว่า>สารชีวโมเลกุล< จำแนกได้เป็น 4 กลุ่มคือ โปรตีน คาร์โบไฮเดรต ลิพิด และกรดนิวคลีอิก สารทั้ง 4 กลุ่มนี้มีโครงสร้าง สมบัติ การเกิดปฏิกิริยาอย่างไรจะได้ศึกษาจากบทเรียนนี้

 

โปรตีน

                โปรตีนเป็นสารที่พบมากที่สุดในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตค้นพบในปี พ.ศ. 2382 (ค.ศ. 1839) โดยมูลเดอร์ ซึ่งต่อมาแบร์ซีเลียสเป็นผู้ตั้งชื่อว่าโปรตีนในภายหลัง โปรตีนมาจากคำภาษากรีก แปลว่า มีความสำคัญก่อน โดยทั่วไปในเซลล์ของพืชและสัตว์มีโปรตีนอยู่มากกว่าร้อยละ 50 ของน้ำหนักแห้งโปรตีนมีธาตุใดเป็นองค์ประกอบ มีโครงสร้างและสมบัติเป็นอย่างไร นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป

 

กรดอะมิโนและพันธะเพปไทด์

เมื่อนำโปรตีนชนิดต่างๆ มาวิเคราะห์หาธาตุองค์ประกอบ พบว่าประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจนและไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบหลัก นอกจากนี้อาจมีธาตุอื่นๆ เป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย เช่น ธาตุกำมะถัน ฟอสฟอรัส เหล็ก สังกะสี และทองแดง โปรตีนพบในอาหารประเภทเนื้อสัตว์ นม ไข่ ถั่วและงา วิธีทดสองโปรตีนในอาหารทำอย่างไร ศึกษาได้จากการทดลองต่อไปนี้

 

 การทดลอง 13.1 การทดสอบโปรตีนในอาหาร
1. นำหลอดทดลองขนาดเล็กมา 6 หลอด เขียนหมายเลข 1 - 6 และใส่อาหารลงไปหลอดละ               
\displaystyle 1cm^3ดังนี้
                หลอดที่ 1 และ 2 ไข่ขาว
                หลอดที่ 3 และ 4 ไข่แดง
                หลอดที่ 5 และ 6 น้ำเต้าหู้
2.  หยดสารละลาย  \displaystyle NaOH2.5moldm^3      ลงในหลอดที่ 1   3  และ 5 หลอดละ 10 หยด เขย่าและสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง บันทึกผล
3.  หยดสารละลาย      \displaystyle CuSO_40.1moldm^3      ลงในหลอดทดลองทั้ง 6 หลอด หลอดละ 5 หยด เขย่าสังเกตการเปลี่ยนแปลงและบันทึกผล

- หลอดที่ใส่และไม่ได้ใส่สารละลาย NaOH   ได้ผลการทดลองเช่นเดียวกันหรือไม่     อย่างไร
- ไข่ขาว ไข่แดงและน้ำเต้าหู้มีองค์ประกอบ เป็นสารประกอบเดียวกันหรือไม่ ทราบได้อย่างไร


    จากการทดลองพบว่าไข่ขาว ไข่แดง และน้ำเต้าหู้ที่ทำมาจากถั่วเหลือง เมื่อผสมกับสารละลายคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตเจือจางและสารละลายเบส จะได้สารสีน้ำเงินม่วงเกิดขึ้นเหมือนกัน แสดงว่าอาหารทั้ง 3 ชนิดมีองค์ประกอบเป็นสารประเภทเดียวกันซึ่งก็คือโปรตีน จากการศึกษาปฏิกิริยานี้พบว่าสารละลาย      \displaystyle CuSO_4 เจือจางในสารละลายเบสทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบย่อยของโปรตีนที่เรียกว่า กรดอะมิโน ได้สารสีน้ำเงินม่วงซึ่งเป็นสีของสารประกอบเชิงซ้อนระหว่างคอปเปอร์ (II) ไอออนกับไนโตรเจนในสารที่มีพันธะเพปไทด์ตั้งแต่ 2 พันธะขึ้นไป การทดสอบโปรตีนวิธีนี้เรียกว่า             การทดสอบไบยูเรต

 

                                                                                 

      >พันธะเพปไทด์<เป็นพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมคาร์บอนในหมู่คาร์บอกซิลของกรดอะมิโนโมเลกุลหนึ่งกับอะตอมไนโตรเจนในหมู่อะมิโนของกรดอะมิโนอีกโมเลกุลหนึ่ง เช่น


 

 

 

- นักเรียนคิดว่าโปรตีนมีโครงสร้างอย่างไร

 

                โปรตีนเป็นสารที่มีมวลโมเลกุลสูง ประกอบด้วยกรดอะมิโนจำนวนมากเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเพปไทด์ ซึ่งเป็นพันธะโคเวเลนต์ระหว่างอะตอมของคาร์บอนในหมู่คาร์บอกซิลของกรดอะมิโนโมเลกุลหนึ่งกับอะตอมของไนโตรเจนในหมู่อะมิโนของกรดอะมิโนอีกโมเลกุลหนึ่ง ดังรูป 13.1

 

                                                   โครงสร้างโปรตีน

 

 

 

จึงกล่าวได้ว่าโปรตีนเป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติที่เกิดจากรวมตัวของกรดอะมิโนจำนวนมาก โปรตีนมีหลายชนิดโปรตีนนับหมื่นชนิดในร่างกายของคนประกอบด้วยกรดอะมิโน 20 ชนิดเป็นโครงสร้างพื้นฐาน กรดอะมิโนบางชนิดร่างกายสามารถสังเคราะห์

ได้ แต่บางชนิดสังเคราะห์เองไม่ได้ต้องได้รับจากภายนอกเท่านั้นซึ่งเรียกว่า <b>กรดอะมิโนจำเป็น</b> ได้แก่ เมไทโอนีน ทรีโอนีน ไลซีน เวลีน ลิวซีน ไอโซลิวซีน ฟีนิลอะลานีน ทริปโตเฟน ฮีสติตีน และอาร์จีนีน กรดอะมิโนที่เป็นโครงสร้างพื้นฐานของโปรตีนมีโครงสร้างแตกต่างกันดังนี้

                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- โซ่ข้างของกรดอะมิโนใดไม่มีขั้ว และกรดอะมิโน ใดมีสมบัติเป็นกรด

- กรดอะมิโนที่เป็นโครงสร้างพื้นฐานของโปรตีนทั้ง 20 ชนิด มีโครงสร้างทั่วไปเป็นอย่างไร

 

เมื่อพิจารณาโครงสร้างของกรดอะมิโนทั้ง 20 ชนิด สามารถเขียนโครงสร้างทั่วไปได้ดังนี้

 

                      

 

 

           จากโครงสร้างทั่วไปช่วยให้ทราบว่ากรดอะมิโนทุกโมเลกุลประกอบด้วยไฮโดรเจน หมู่อะมิโน\displaystyle (- NH_2) อย่างน้อย 1 หมู่และหมู่คาร์บอกซิล (-COOH) อย่างน้อย 1 หมู่ต่ออยู่กับคาร์บอนในตำแหน่งแอลฟา โดยมีส่วนที่แตกต่างกันคือโซ่ข้างซึ่งเป็นส่วนที่ทำให้กรดอะมิโนมีสมบัติแตกต่างกัน เช่น กรดอะมิโนที่โซ่ข้างมีสมบัติเป็นกรด ได้แก่ กรดแอสปาร์ติก และกรดกลูตามิก สำหรับตัวอย่างของกรดอะมิโนที่โซ่ข้างไม่มีขั้ว เช่น ไกลซีน อะลานีน ลิวซีน ไอโซลิวซีน ฟินิลอะลานีน

- โปรตีนแต่ละชนิดประกอบด้วยกรดอะมิโนที่เหมือนกันและมีจำนวนเท่ากันหรือไม่ รวมทั้งมีโครงสร้างอย่างไร

โครงสร้างของโปรตีน

สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ใช้กรดอะมิโนเป็นสารตั้งต้นในสารสังเคราะห์โปรตีน โดยกรดอะมิโนหลายโมเลกุลยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะเพปไทด์ ถ้ากรดอะมิโน 2 โมเลกุล เกิดปฏิกิริยารวมตัวกันจะได้สารประกอบที่เรียกว่า ไดเพปไทด์ >กรดอะมิโน 3 โมเลกุล โมเลกุลทำปฏิกิริยารวมตัวกันจะได้สารประกอบ >ไตรเพปไทด์<และถ้ากรดอะมิโนหลายๆ โมเลกุลทำปฏิกิริยากันจนเกิดเป็นสายยาว จะได้สารประกอบซึ่งเรียกว่า  พอลิเพปไทด์

โปรตีนส่วนใหญ่เป็นพอลิเพปไทด์ที่มีมวลโมเลกุลมากกว่า 5000 ซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโนหลายชนิดและมีจำนวนแตกต่างกัน ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะเพปไทด์และพันธะชนิดอื่นๆ ทำให้โปรตีนมีโครงสร้าง 4 ระดับ คือ

 

>โครงสร้างปฐมภูมิ< เป็นโครงสร้างที่แสดงลำดับกรดอะมิโนในสายเพปไทด์หรือในโมเลกุลโปรตีน ซึ่งแต่ละชนิดจะมีจำนวนและลำดับของกรดอะมิโนที่จำเพาะ การจัดลำดับกรดอะมิโนในโครงสร้างปฐมภูมิกำหนดให้ปลายหมู่อะมิโนอยู่ด้านซ้ายและปลายหมู่คาร์บอกซิลอยู่ด้านขวา ถ้าทราบจำนวนและชนิดของกรดอะมิโนที่เป็นองค์ประกอบย่อยจะสามารถเขียนลำดับกรดอะมิโนหรือโครงสร้างปฐมภูมิของโปรตีนที่เป็นไปได้หลายแบบ เช่น ไดเพปไทด์ที่ประกอบด้วยกรดอะมิโนไกลซีน (Gly) และอะลานีน (Ala) สามารถเขียนลำดับกรดอะมิโนที่ต่อกันได้ดังนี้

 

 

 

        การเขียนลำดับกรดอะมิโนของพอลิเพปไทด์และโปรตีนกำหนดให้เขียนเป็นชื่อย่อโดยใช้พยัญชนะ 3 ตัวแรกของกรดอะมิโนและเรียกชื่อกรดอะมิโนในลำดับแรกด้วยการลงท้ายด้วยเสียง - ลิ แล้วต่อด้วยชื่อของกรดอะมิโนตัวสุดท้าย

 

 

                                                        

     การจัดลำดับของกรดอะมิโน

         กรณีของไตรเพปไทด์จะมีจำนวนโครงสร้างปฐมภูมิที่เกิดขึ้นได้ทั้งหมดเท่ากับ 3 x 2 x 1 = 6 หรือ 3! (3 แฟคทอเรียล) สรุปได้ว่าจำนวนโครงสร้างปฐมภูมิของพอลิเพปไทด์จะมีค่าเท่ากับ n! เมื่อ n คือจำนวนกรดอะมิโนที่เป็นองค์ประกอบ

 

ไตรเพปไทด์ที่ประกอบด้วยกรดอะมิโนไทโรซีน (Tyr) ฮิสติดีน (His) และซีสเตอีน (Cys) สามารถเขียนลำดับกรดอะมิโนที่ต่อกันได้ดังนี้

 

Tyr - His - Cys                His - Tyr - Cys                Cys - Tyr - His

Tyr - Cys - His                His - Cys - Tyr                Cys - His - Tyr

 

พอลิเพปไทด์และโปรตีนทีมีจำนวนกรดอะมิโนมากขึ้น ส่วนใหญ่ไม่อยู่ในรูปเป็นสายยาว แต่อาจมีการม้วนตัวหรือ

พับเข้าหากัน เนื่องจากมีการสร้างพันธะระหว่างกรดอะมิโนภายในสายหรือระหว่างสายพอลิเพปไทด์และโปรตีน ทำให้เกิดเป็นโครงสร้าง 3 มิติที่มีลักษณะจำเพาะแตกต่างกันหลายระดับ

 

>โครงสร้างทุติยภูมิ                 เป็นโครงสร้างที่เกิดจากการขดหรือม้วนตัวของโครงสร้างปฐมภูมิ ถ้าเกิดจากการสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่าง C = O ของกรดอะมิโนหนึ่งกับ N - H ของกรดอะมิโนถัดไปอีก 4 หน่วยในสายพอลิเพปไทด์เดียวกันจะเกิดโครงสร้างในลักษณะบิดเป็นเกลียวซึ่งเรียกว่าเกลียวแอลฟา ดังรูป 13.2 ถ้าเกิดจากการสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่าง C = O กับ N - H ของกรดอะมิโนระหว่างสายพอลิเพปไทด์ที่อยู่คู่กัน จะเกิดโครงสร้างมีลักษณะเป็นแผ่นซึ่งเรียกว่า แผ่นพลีทบีต้า ดังรูป 13.3 นอกจากพันธะไฮโดรเจนแล้วยังมีพันธะอื่นๆ เกิดขึ้นอีกด้วย เช่น พันธะไอออนิก พันธะไดซัลไฟด์ (S - S) ในกรณีที่มีกรดอะมิโนซีสเตอีนเป็นองค์ประกอบในโมเลกุล พันธะต่างๆ เหล่านี้ล้วนมีส่วนช่วยให้โครงสร้างทุติยภูมิอยู่ตัวได้

 

                                                                             

                                                                                  โครงสร้างแบบแผ่นพลีทบีต้า

 

โครงสร้างตติยภูมิ

                เกิดจากโครงสร้างเกลียวแอลฟาและบริเวณที่ไม่ใช่เกลียวแอลฟาม้วนเข้าหากันและไขว้กันโดยมีแรงยึดเหนี่ยวอ่อนๆ คล้ายกับโครงสร้างทุติยภูมิ ดังรูป 13.4 โครงสร้างตติยภูมิของโปรตีนแต่ละชนิดจะมีลักษณะจำเพาะขึ้นอยู่กับลำดับของกรดอะมิโนในสายพอลิเพปไทด์ ทำให้เกิดเป็นโครงสร้างที่มีความเหมาะสมสำหรับการทำหน้าที่ต่างๆ ของโปรตีนเหล่านั้น

 

     

 

                                                              

                                                      ตัวอย่างโครงสร้างตติยภูมิ

 

โครงสร้างจตุรภูมิ

                เกิดจากการรวมตัวของหน่วยย่อยชนิดเดียวหรือต่างชนิดกันของโครงสร้างตติยภูมิ โดยมีแรงยึดเหนี่ยวเหมือนกับในโครงสร้างทุตยภูมิและตติยภูมิ ลักษณะโครงสร้างใหม่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างตติยภูมิซึ่งเป็นหน่วยย่อย โดยอาจมีการรวมตัวกันเป็นลักษณะก้อนกลม เช่น ฮีโมโกลบิน หรือเป็นมัดคล้ายเส้นใย เช่น คอลลาเจน ดังรูป 13.5 และ 13.6

 

                                                 

 

                                                                         ฮีโมโกลบิน

 

 

                                                                                                

                                                                                                 คอลลาเจน

 

 

ลำดับการเกิดโครงสร้างของฮีโมโกลบินแสดงได้ดังนี้

 

 

                                                   แสดงลำดับการเกิดโครงสร้างของฮีโมโกลบิน

 

 

โปรตีนแต่ละชนิดมีโครงสร้างที่แตกต่างกัน มีจำนวนและชนิดของกรดอะมิโนที่เป็นองค์ประกอบต่างกัน นักเรียนคิด

ว่าโครงสร้างของโปรตีนจะมีผลต่อหน้าที่ของโปรตีนหรือไม่ อย่างไร

ชนิดและหน้าที่ของโปรตีน

โปรตีนมีหลายชนิด หน้าที่ของโปรตีนแต่ละชนิดขึ้นอยู่กับโครงสร้าง 3 มิติของโปรตีนนั้น และโครงสร้างของโปรตีนก็ขึ้นอยู่กับกรดอะมิโนที่เป็นองค์ประกอบของสายพอลิเพปไทด์ ถ้าแบ่งโปรตีนตามลักษณะการจัดตัวในโครงสร้าง 3 มิติ จะแบ่งได้เป็น

โปรตีนก้อนกลม เกิดจากสายพอลิเพปไทด์รวมตัวม้วนพับพันกันและอัดแน่นเป็นก้อนกลม ละลายน้ำได้ดี ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เกี่ยวกับกระบวนการเมทาบอลิซึมต่างๆ ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ ตัวอย่างของโปรตีนก้อนกอลม เช่น เอนไซม์ ฮอนโมนอินซูลิน ฮีโมโกลบิน โกลบูลินในพลาสมา

โปรตีนเส้นใย เกิดจากสายพอลิเพปไทด์พันกันในลักษณะเหมือนเส้นใยสายยาวๆ ละลายน้ำได้น้อยส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นโปรตีนโครงสร้าง เพราะมีความแข็งแรงและยืดหยุ่นสูง ตัวอย่างของโปรตีนเส้นใย เช่น ไฟโบอีน ในเส้นไหม อีลาสตินในเอ็น คอลลาเจนในเนื้อเยื่อเกี่ยวพันเคราตินในผม ขน เล็บ ครีบ กีบสัตว์ ไมโอซินในกล้ามเนื้อ

                ชนิดของโปรตีนนอกจากจะแบ่งตามลักษณะการจัดตัวในโครงสร้าง 3 มิติแล้ว ยังสามารถแบ่งตามหน้าที่ได้ดังตาราง 13.1

>ตาราง 13.1  ตัวอย่างชนิดและหน้าที่ที่สำคัญของโปรตีน<

ชนิดของโปรตีน

หน้าที่

ตัวอย่างและแหล่งที่พบ

โปรตีนเร่งปฏิกิริยา(เอนไซม์)

เร่งปฏิกิริยาในเซลล์สิ่งมีชีวิต

-เอนไซม์ เช่น เอนไซม์อะไมเลสเอนไซม์ฟอสฟาเตส

โปรตีนโครงสร้าง

ให้ความแข็งแรงและช่วยคงรูปร่างโครงสร้างต่างๆ ของร่างกาย

-คอลลาเจน ซึ่งพบในกระดูก เอ็น เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน

-เคราดินพบในผม ขน เล็บ กีบสัตว์ ผิวหนัง

โปรตีนขนส่ง

ขนส่งสารไปสู่ส่วนต่างๆ

ของร่างกาย

-ฮีโมโกลบินในเซลล์เม็ดเลือดแดง พาออกซิเจนไปสู่เนื้อเยื่อต่างๆ

-ทรานสเฟอริน นำธาตุเหล็กในน้ำเลือดจากบริเวณที่สะสมไปยังม้าม ตับ และกระดูก

โปรตีนสะสม

สะสมธาตุต่างๆ

-เฟอริทิน สะสมธาตุเหล็กในตับ ม้าม และไขกระดูก

โปรตีนป้องกัน

ป้องกันและกำจัดสิ่งแปลกปลอมที่เข้ามาภายในเซลล์ เช่น แบคทีเรีย

-แอนติบอดี

โปรตีนฮอร์โมน

ทำหน้าที่แตกต่างกันตามชนิดของ

ฮอร์โมน เช่น

-ควบคุมการเจริญเติบโตของร่างกาย

-ควบคุมการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรต

 

 

-โกรท ฮอร์โมน

 

-อินซูลิน กลูคากอน สร้างที่ตับอ่อน

 

 

เอนไซม์

เอนไซม์เป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในเซลล์สิ่งมีชีวิต โดยการลดพลังงานก่อกัมมันต์และทำให้อนุภาคของสารตั้งต้นรวมกับเอนไซม์ได้อย่างเหมาะสม มีผลให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น เช่น การย่อยโปรตีนที่ลำไส้เล็กจนได้กรดอะมิโน ใช้เวลาเพียง 2 - 3 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 37                องศาเซลเซียส และ pH เกือบเป็นกลาง แต่ถ้าทำในห้องปฏิบัติการโดยต้มโปรตีนกับกรดเข้มข้นที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส                ต้องใช้เวลาไม่น้อยกว่า 24 ชั่วโมง นอกจากนี้เอนไซม์บางชนิดทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นสารอนินทรีย์ เช่น การสลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 1 โมลให้เป็นน้ำและออกซิเจนโดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา จะใช้พลังงานก่อกัมมันต์ 72.4 กิโลจูล ถ้ามีเหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจะใช้พลังงานก่อกัมมันต์ 54.34 กิโลจูล แต่ถ้าใช้เอนไซม์คะตะเลสจากตับเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จะใช้พลังงานก่อกัมมันต์เพียง 20.9 กิโลจูล

 

 

กราฟแสดงพลังงานก่อกัมมันต์ที่ใช้ไปในปฏิกิริยาการสลายตัวของ \displaystyle H_2O_2
\displaystyle 2H_2O_2 \to 2H_2O+O_2
ก.    ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา
ข.    มีเหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
ค.    มีเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

 

 

 

 

เอนไซม์ทำงานอย่างไร

 

การทำงานของเอนไซม์เริ่มต้นจากสารตั้งต้นซึ่งในทางชีวเคมีเรียกว่า สับสเตรต เข้าจับกับเอนไซม์และเกิดการเปลี่ยนแปลงไปจนกระทั่งปฏิกิริยาสิ้นสุด ได้ผลิตภัณฑ์และเอนไซม์กลับคืนมา การที่เอนไซม์สามารถทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาได้ดี นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าเนื่องจากเอนไซม์มีส่วนที่เป็นบริเวณเร่ง ซึ่งเป็นบริเวณจำเพาะที่จะให้สับสเตรตเข้ามาจับกับเอนไซม์ได้และไม่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างทั้งก่อนและหลังการจับกับสารตั้งต้น และสามารถเข้ากันได้พอพีเหมือนกับแม่กุญแจกับลูกกุญแจ ดังรูป 13.9

 

รูป 13.9 แสดงการจับกันของสับสเตรทกับเอนไซม์แบบแม่กุญแจกับลูกกุญแจ

 

                ต่อมานักวิทยาศาสตร์พบว่าบริเวณเร่งของเอนไซม์สามารถถูกเหนี่ยวนำให้เหมาะสมกับสเตรตที่เข้ามาจับหรืออาจเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ดังรูป 13.10

 

                   แสดงการจับกันของสับสเตรตกับเอนไซม์แบบเหนี่ยวนำให้เหมาะสม

 

นอกจากนี้ยังพบว่าโดยทั่วไปเอนไซม์ชนิดหนึ่งๆ สามารถทำปฏิกิริยาได้เฉพาะอย่างเท่านั้น เช่น อะไมเลส เป็นเอนไซม์ย่อยแป้ง ดังนั้นจึงพบว่ามีเอนไซม์หลายชนิดในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต อย่างไรก็ตามเอนไซม์บางชนิดอาจมีบริเวณเร่งมากกว่าหนึ่งบริเวณได้

                เนื่องจากเอนไซม์จะทำหน้าที่ต่อเมื่อจับกับสับสเตรตที่เหมาะสม ดังนั้นเอนไซม์จำนวนมากจึงมีชื่อเรียกตาม

ชนิดของสับสเตรต โดยลงท้ายเสียงเป็น เ-ส เช่น เอนไซม์ซูเครสอะไมเลส ไลเปส ยูรีเอส แต่เอนไซม์บางชนิดอาจมีชื่อเฉพาะ เช่น เพปซิน ทริปซิน ซึ่งเป็นเอนไซม์ช่วยในการย่อยโปรตีน เนื่องจากเป็นชื่อที่ตั้งขึ้นขณะพบเอนไซม์ไม่กี่ชนิด เมื่อพบเอนไซม์จำนวนมากขึ้นในภายหลัง จึงกำหนดให้เรียกชื่อเอนไซม์อย่างเป็นระบบมากขึ้น เอนไซม์แต่ละชนิดมีลักษณะการทำหน้าที่เฉพาะตัว นักเรียนคิดว่าการทำหน้าที่ของเอนไซม์ขึ้นอยู่กับปัจจัยใดบ้างศึกษาได้จากการทดลองต่อไปนี้

 

 

                                                                               

     เอนไซม์ซูเครสพบที่ลำไส้เล็กเป็นเอนไซม์ที่ย่อยซูโครส

     เอนไซม์ไลเปสพบที่ตับอ่อนและกระเพาะอาหาร เป็นเอนไซม์ที่ย่อยไขมัน

     เอนไซม์ยูรีเอสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรลิซิสของยูเรียได้ผลิตภัณฑ์เป็นแอมโมเนียและคาร์บอนไดออกไซด์

 

 

 การทดลอง 13.2 สมบัติของเอนไซม์และปัจจัยบางประการที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์
ตอนที่ 1  การเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์
                1.  ละลายน้ำตาลทราย 0.5 g  ในน้ำ    \displaystyle 10cm^3  และแบ่งสารละลายออกเป็น 2 ส่วนเท่าๆกันใส่ในหลอดทดลองขนาดกลาง 2 หลอด
                2.  ใส่ยีสต์ 1 ช้อนเบอร์ 2 ลงในสารละลายหลอดที่ 1 คนให้เข้ากัน และตั้งหลอดทดลองทั้ง 2 หลอด ไว้เป็นเวลา 10 นาที
                3.   เติมสารละลายเบเนดิกต์ลงในสารทั้ง 2 หลอด หลอดละ   \displaystyle 1cm^3      อุ่นในน้ำเดือดเป็นเวลา 2 นาทีสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง
 

 

 

 

  ตอนที่ 2   ผลของอุณหภูมิต่อการทำงานของเอนไซม์                
1.  ใส่น้ำสับปะรดลงในหลอดทดลองขนาดเล็ก  4 หลอด หลอดละ      \displaystyle 1cm^3 และทำให้แต่ละหลอดมีอุณหภูมิ ดังนี้
หลอดที่ 1 อุณหภูมิห้อง
หลอดที่ 2 อุณหภูมิ  60 องศาเซลเซียส  นาน 5 นาที แล้วตั้งไว้ให้เย็น
หลอดที่ 3 อุณหภูมิ 80  องศาเซลเซียส  นาน 5 นาที แล้วตั้งไว้ให้เย็น
หลอดที่ 4 อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส นาน 5 นาที แล้วตั้งไว้ให้เย็น
                2.  ใส่สารละลายเจลาตินลงในหลอดทดลองที่ใส่น้ำสับปะรดทั้ง 4 หลอด หลอดละ  \displaystyle 1cm^3  เขย่าและใส่สารละลายเจลาตินลงในหลอดที่ 5   \displaystyle 1cm^3 สำหรับเปรียบเทียบ
                3.   แช่หลอดทดลองทั้ง 5 หลอด  ในบีกเกอร์ที่มีน้ำแข็งประมาณ 8 - 10 นาที สังเกตการเปลี่ยนแปลง

-  สารละลายน้ำตาลทรายที่เติมยีสต์และไม่เติมยีสต์เมื่อทดสอบด้วยสารละลายเบเนดิกต์ ได้ผลการทดลองแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร
- สารละลายเจลาตินในหลอดใดแข็งตัวได้ เพราะเหตุใด
 

 

จากการทดลองตอนที่ 1 พบว่าสารละลายน้ำตาลทรายที่เติมยีสต์ลงไป เมื่อนำมาทำปฏิกิริยากับสารละลายเบเนดิกต์จะได้ตะกอนสีแดงอิฐเกิดขึ้น ส่วนหลอดที่ไม่ได้เติมยีสต์จะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลง เนื่องจากยีสต์มีเอนไซม์ที่ช่วยเร่งปฏิกิริยาไฮโดรลิซิสน้ำตาลทรายให้เป็นน้ำตาลโมเลกุลเล็กคือกลูโคสและฟรักโทส ซึ่งสารทั้งสองนี้สามารถทำปฏิกิริยากับสารละลายเบเนดิกต์เกิดเป็นตะกอนสีแดงอิฐของคอปเปอร์(I) ออกไซด์

                สำหรับเจลาตินซึ่งเป็นโปรตีนที่ได้จากเนื้อเยื่อเกี่ยวพันของสัตว์ จะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิสูงและเป็นของแข็งที่อุณหภูมิต่ำ ส่วนน้ำสับปะรดมีเอนไซม์โบรมีเลนที่สามารถย่อยสลายโปรตีนได้ ในการทดลองตอนที่ 2 เมื่อเอนไซม์โบรมีเลนสามารถย่อยสลายเจลาตินได้ จึงทำให้เจลาตินไม่แข็งตัวเมื่อแช่ในน้ำแข็ง แต่ถ้าเอนไซม์นั้นอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม เช่น มีอุณหภูมิสูงมาก เอนไซม์จะถูกแปลงสภาพจนไม่สามารถย่อยสลายเจลาตินได้ สมบัติของเจลาตินจึงไม่เปลี่ยนแปลงคือแข็งตัวได้เมื่อแช่ในน้ำแข็ง

                จากการทดลองตอนที่ 2 ช่วยให้ทราบว่า อุณหภูมิเป็นปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์ และเอนไซม์จะทำงานได้ดีที่อุณหภูมิเหมาะสม การเพิ่มอุณหภูมิให้กับปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์อาจไม่เป็นผลดีเสมอไป กล่าวคือการเพิ่มอุณหภูมิทำให้อัตราเร็วของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น ขณะเดียวกันอาจทำให้โครงสร้างของเอนไซม์เปลี่ยนไปจนทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของเอนไซม์ลดลงหรือไม่สามารถทำหน้าที่ได้ อย่างไรก็ตามอัตราเร็วของปฏิกิริยาบางชนิดไม่เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิเสมอไป แต่จะมีอุณหภูมิช่วงหนึ่งเท่านั้นที่จำเพาะและเหมาะสมต่อการทำหน้าที่ได้ดีที่สุดของเอนไซม์แต่ละชนิด เช่น เอนไซม์จากสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ส่วนใหญ่จะเร่งปฏิกิริยาได้ดีที่อุณหภูมิประมาณ 37 องศาเซลเซียส และไม่สามารถเร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงกว่า 60 องศาเซลเซียส เอนไซม์ยูรีเอสในพืช มีอุณหภูมิที่เหมาะสมต่อการเร่งปฏิกิริยาที่ 60 องศาเซลเซียส เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในร่างกาย ส่วนใหญ่จะทำงานได้ดีที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียสและประสิทธิภาพการทำงานจะลดลงเมื่อ

อุณหภูมิเปลี่ยนไป

 

- นอกจากอุณหภูมิแล้วยังมีปัจจัยอื่น อีกหรือไม่ ที่มีผลต่อการทำงานของเอนไซม์

 

                pH เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของเอนไซม์ เมื่อ pH ไม่เหมาะสมจะทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของเอนไซม์ลดลงหรือทำงานไม่ได้ pH ที่เหมาะสมต่อการทำงานของเอนไซม์บางชนิดแสดงในตาราง 13.2

 

ตาราง 13.2 pH ที่เหมาะสมต่อการทำงานของเอนไซม์บางชนิด

 

เอนไซม์

pH ที่เหมาะสม

ไลเปส (ตับอ่อน)

8.0

ไลเปส (กระเพาะอาหาร)

4.0 - 5.0

ไลเปส (น้ำมันละหุ่ง)

4.7

เปปซิน

1.5 - 1.6

ทริปซิน

7.8 - 8.7

ยูรีเอส

7.0

มอลเทส

6.1 - 6.8

อะไมเลส (ตับอ่อน)

6.7 - 7.0

อะไมเลส (ข้าวมอลท์ ถั่ว)

4.6 - 5.2

คะตะเลส

7.0

ซูเครส (ลำไส้เล็ก)

6.2

การแปลงสภาพโปรตีน

 

โปรตีนแต่ละชนิดมีโครงสร้างสามมิติที่จำเพาะต่อการทำงานที่แตกต่างกัน ถ้าแรงยึดเหนี่ยวในโครงสร้าง

 

สามมิติของโปรตีนถูกทำลาย จะทำให้โครงสร้างของโปรตีนเปลี่ยนแปลงไป โดยการคลายตัวออกและไม่สามารถทำหน้าที่ทาชีวภาพได้ เรียกว่า การแปลงสภาพโปรตีน นักเรียนคิดว่ามีปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อการแปลงสภาพโปรตีน ศึกษาจากการทดลองต่อไปนี้

 

การทดลอง 13.3 การแปลงสภาพโปรตีน

 

1.  ใส่ไข่ขาวดิบในหลอดทดลองขนาดเล็กหลอดละ  \displaystyle 1cm^3 จำนวน 5 หลอด แล้วทำการทดลองต่อไปดังนี้

 

หลอดที่ 1 ให้ความร้อนด้วยการต้มในน้ำเดือด 2 นาที

 

หลอดที่ 2 ใส่กรดแอซีติกเข้มข้น 5 หยด            

 

หลอดที่ 3 ใส่สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์บ 6mol/dm^3   5  หยด

 

 หลอดที่ 4 ใส่เอทานอล 95%  5  หยด              
หลอดที่ 5 ใส่สารละลาย \displaystyle Pb(NO_3)_20.5mol/dm^3 5  หยด  สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง บันทึกผล
2.  ทำให้สารละลายแต่ละหลอดเป็นเบส โดยหยดสารละลาย \displaystyle NaOH2.5mol/dm^3ทีละหยดและทดสอบความเป็นเบสด้วยกระดาษลิตมัส                  
3.   เติมสารละลาย \displaystyle CuSO_40.1mol/dm^3 ลงในหลอดที่ 1 - 5 หลอดละ 5 หยด เขย่า สังเกตการเปลี่ยนแปลงและบันทึกผล

-  มีปัจจัยใดบ้างที่ทำให้ไข่ขาวถูกแปลงสภาพได้
-  ในการแปลงสภาพโปรตีน  พันธะเพปไทด์และโครงสร้างปฐมภูมิเปลี่ยนแปลงด้วยหรือไม่   ทราบได้อย่างไร
 

 

 จากการทดลองพบว่าไข่ขาวในทุกหลอดเกิดการเปลี่ยนแปลงไป โดยบางหลอดแข็งตัวและบางหลอดเกิดตะกอนขุ่นขาว การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นการแปลงสภาพโปรตีน ทำให้สมบัติของโปรตีนชนิดนั้นเปลี่ยนไป แสดงว่าความร้อน สารละลายกรด สารละลายเบส แอลกอฮอล์และโลหะหนักเป็นปัจจัยที่ทำให้ไข่ขาวเกิดการแปลงสภาพ เมื่อพิจารณาผลการทดสอบไบยูเรตพบว่าได้สารสีน้ำเงินม่วงซึ่งช่วยให้ทราบว่าพันธะเพปไทด์ของโครงสร้างปฐมภูมิยังไม่ถูกทำลายแม้ว่าโปรตีนจะถูกแปลงสภาพแล้ว มีเพียงโครงสร้างทุติยภูมิ ตติยภูมิและจตุรภูมิเท่านั้นที่ถูกทำลายโดยทำให้โครงสร้างเหล่านี้คลายตัว ดังรูป 13.11 นอกจากนี้การเติมสารซักฟอก การฉายรังสีเอ็กซ์ รวมทั้งการเขย่าแรงๆ ก็ทำให้เกิดการแปลงสภาพโปรตีนได้เช่นกัน

                                                   

                                                                โครงสร้างของโปรตีนเมื่อถูกแปลงสภาพ

 

ถ้าร่างกายได้รับสารปนเปื้อนพวกโลหะหนัก เช่น ตะกั่ว สารหนูหรือปรอท เพราะเหตุใดจึงปฐมพยาบาลผู้ป่วยโดยการให้รับประทานไข่ขาวดิบ หรือดื่มนมสด แล้วทำให้ผู้ป่วยอาเจียน

 

                โปรตีนเป็นสารอาหารที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตและการซ่อมแซมเนื้อเยื่อต่างๆ ของร่างกาย รวมทั้งเป็นแหล่งและการซ่อมแซมเนื้อเยื่อต่างๆ ของร่างกาย รวมทั้งเป็นแหล่งพลังงานสำรอง ถ้าร่างกายขาดคาร์โบไฮเดรตและไขมันเป็นเวลานานก็จะสลายโมเลกุลของโปรตีนเพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานแก่รางกายได้ โปรตีน 1 กรัมจะให้พลังงาน 4.2 กิโลแคลอรี อาหารที่มีโปรตีนเป็นองค์ประกอบอยู่มากกว่าร้อยละ 10 ของมวล ได้แก่ ปลา ถั่ว เนยแข็ง ไข่ ผลิตภัณฑ์นม และเนื้อสัตว์ โปรตีนแต่ละชนิดมีคุณค่าทางโภชนาการแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับชนิดและปริมาณของกรดอะมิโนที่เป็นองค์ประกอบ

 

ตัวอย่างการนำความรู้ที่เกี่ยวกับการแปลงสภาพของโปรตีนไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวัน

- การต้มไข่ในน้ำที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส ประมาณ 3 นาที จะทำให้โปรตีนไข่แข็งตัว

- เช็ดผิวหนังด้วยสำลีชุบแอลกอฮอล์ก่อนฉีดยา แอลกอฮฮล์จะทำให้โปรตีนในแบคทีเรียถูกแปลงสภาพเกิดการแข็งตัวเป็นการฆ่าเชื้อโรค

- การทำความสะอาดเครื่องมือแพทย์เพื่อฆ่าเชื้อโรคมักจะใส่ในหม้อนึ่งอัตราความดันที่อุณหภูมิ 120 องศาเซลเซียส ความร้อนจะทำให้โปรตีนในแบคทีเรียถูกทำลาย

- การให้ความร้อนกับน้ำนมที่ 60 องศาเซลเซียส จะทำให้โปรตีนในน้ำนมแข็งตัว ซึ่งเป็นกรรมวิธีในการทำโยเกิร์ต

- การบีบมะนาวในอาหารประเภทยำหรือต้มยำ จะทำให้โปรตีนในอาหารตกตกตะกอนขุ่นขาว